strzałka do góry

Kompozyty na osnowie stopu aluminium
Utworzony przez:  Administrator
Data utworzenia:  2016-03-08 10:06:25


Kompozytem można nazwać materiał, który jest złożony z conajmniej dwóch lub większej ilości komponentów (faz). Fazy te różnią się znacząco właściwościami mechanicznymi, fizycznymi i chemicznymi. Składniki te zachowują swoją tożsamość, ponieważ nie reagują między sobą, kompozyt powstaje poprzez ich zmieszanie i ścisłe zespolenie. Główna ciągła faza nazywana jest osnową podczas, gdy faza w formie cząstek lub włókien znana jest jako uzbrojenie. W porównaniu do osnowy, uzbrojenie ma dużo lepsze właściwości mechaniczne. Najbardziej znanym naturalnym kompozytem jest drewno, które jest złożone z celulozowych włókien w osnowie hemicelulozy i ligniny (kompozyt wzmacniany włóknami), a także kości i ścięgna. 

Istotną cechą kompozytów jest to, że wykazują synergizm. Oznacza to, że wypadkowe własności kompozytów są wyższe niż możliwe do uzyskania w każdym z komponentów osobno, a nawet niż te zakładane przez proste reguły mieszania (Rys. 1).

Uwzględniając rodzaj składników wzmacniających, kompozyty można podzielić na grupy:

  • Kompozyty wzmacniane cząstkami
    • duże cząstki
    • utwardzane dyspersyjnie
  • Kompozyty wzmacniane włóknami
    • włókna ciągłe
    • włokna nieciągłe
      • zorientowane
      • rozmieszczone przypadkowo
    • tkaniny
  • Kompozyty strukturalne
    • warstwowe
    • rdzeń z materiałów lekkich

Rys. 1 Synergiczne zachowanie składników kompozytu.

Materiały kompozytowe o osnowie metalowej jako wzmocnienie mogą zawierać cząstki dyspersoidów o średnicy 10÷250 nm. Cząstki te, rozmieszczone w osnowie wpływają na zablokowanie ruchu dyslokacji przez co wpływają na jej umocnienie. Dobrym przykładem tego rodzaju kompozytów jest spiekany materiał kompozytowy na osnowie aluminium SAP (sintered aluminium powder-spiekany proszek Al) umacniany 14% Al2O3, wykorzystywany do produkcji pokryć samolotów i łopatek sprężarek silników turbinowych.

Kompozyty zbrojone włóknami zapewniają zwiększoną wytrzymałość statyczną i zmęczeniową oraz sztywność.  Właściwości te uzyskuje się przez wprowadzenie wytrzymałych, sztywnych lecz kruchych włókien do miękkiej lecz ciągliwej osnowy. Materiały te moga wykazywać wysoką wytrzymałość w szerszym zakresie temperatur.

Biorąc pod uwagę materiał osnowy, kompozyty dzielimy na grupy:

  • MMCs kompozyty o osnowie metalowej
  • OMCs kompozyty o osnowie organicznej
    • PMCs kompozyty o osnowie polimerowej
    • CCSs kompozyty o osnowie węglowej
  • CMCs kompozyty o osnowie ceramicznej

W grupie kompozytów o osnowie metalowej, kluczową rolę odgrywa aluminium jako materiał osnowowy. Kompozyty o osnowie aluminiowej mają szereg zastosowań w przemyśle kosmicznym, lotniczym i motoryzacji. Wzmacnianie stopów pozwala na poprawienie ich właściwości oraz wydajności części konstrukcyjnych z nich wytwarzanych. Jako osnowa wykorzystywane są zarówno różne rodzaje stopów do przeróbki plastycznej jak i odlewniczych.

Przykładowe stopy wykorzystywane jako osnowa w kompozytach:

  • stopy odlewnicze
    • AlSi12CuMgNi
    • AlSi9Mg
    • AlSi7
  • stopy do przeróbki plastycznej
    • Al-Cu (2XXX)
    • Al-Zn-Mg-Cu (7XXX)
    • Al-Mg-Si (6XXX)
    • Al-Cu-Mg-Li

Istotne zalety materiałów kompozytowych:

  • wzrost wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności 
  • wzrost wartości modułu Younga- sprężystości
  • wzrost wytrzymałości zmęczeniowej szczególnie w podwyższonych temperaturach
  • wzrost odporności na pełzanie w podwyższonych temperaturach
  • wzrost odporności na zużycie
  • poprawa odporności na wstrząsy cieplne
  • redukcja termicznego wydłużania

Wybrane kompozyty na osnowie aluminium

Kompozyty zbrojone włóknami boru B/Al były używane już w latach 60. XX wieku podczas trwania programu lotów kosmicznych. Długie włókna boronu były wzmocnieniami kompozytów o osnowie ze stopów odlewniczych Al-Mg-Si czy Al-Cu-Mg. Zastosowania te kompozyty odnalazły w komponentach do płatowców wystawionych na duże obciążenia, skrzydłach samolotów, wahadłowcach kosmicznych i rakietach. Jednakże, ze względu na dużą reaktywność włókien boru i podatność na utlenianie w podwyższonych temperaturach, w wielu zastosowaniach zostały one zamienione na bardziej stabilne chemicznie i termicznie, a także tańsze-włókna węgliku krzemu SiC.

Podczas ostatnich lat, wzrosła ważność kompozytów zbrojonych węglikiem krzemu SiC/Al (osnową mogą być takie stopy jak, np. Al-Si, Al-Cu-Mg, Al- Mg-Si itd). Są to materiały wytrzymałe oraz odporne na zużycie, szczególnie w podwyższonych temperaturach. W porównaniu do włókien boru, długie włókna węgliku krzemu są znacząco bardziej stabilne w agresywnym chemicznie środowisku i tańsze. Kompozyty o osnowie stopu aluminium uzbrojone włóknami węgliku krzemu są materiałami odpornymi termicznie, ich wytrzymałość pozostaje praktycznie stała do temperatury 250°C. Wykorzystywane są w produkcji różnych komponentów pojazdów, które są eksponowane na duże obciążenia mechaniczne, zużycie i podwyższone temperatury (tłoki w silnikach diesla i spalinowych, tuleje cylindrowe, tarcze hamulcowe, korbowody).

Grupa materiałów kompozytowych o osnowie aluminiowej wzmacnianej nieciągłymi włóknami węgliku krzemu i Al2O3-DRA (discountinuously reinforced aluminium) posiada wiele korzystnych właściwości: małą wagę, dużą odporność na pełzanie i zużycie, niską termiczną rozszerzalność i wysokie przewodnictwo cieplne. W latach 1995-2000 nastąpił gwałtowny wzrost wykorzystania kompozytów wzmacnianych krótkimi włóknami, materiały te odnalazły szerokie zastosowania w przemyśle kosmicznym, lotniczym i transporcie, a także w elektronice na osłony elementów elektronicznych oraz w gospodarce cieplnej. Stale trwają badania nad możliwościami upowszechnienia tej nowej i stale rozwijającej się grupy nowoczesnych materiałów kompozytowych.

Materiał włókna wzmacniającego

Przykłady zastosowania

Bor Rurowe rozpórki środkowej częsci kadłuba promów kosmicznych, materiał ekranujący promieniowanie neutronowe (np. w składowiskach wypalonego paliwa jądrowego lub w pojemnikach do transportu takiego paliwa), łopatki wentylatorów w silnikach turboodrzutowych, poszycie skrzydeł samolotów, elementy podwozia samolotów, ramy rowerów, kije golfowe; w związku z degradacją włókien borowych powyżej 480°C niemożliwe są zastosowania wysokotemperaturowe
Węglik krzemu Elementy konstrukcyjne skrzydeł samolotów o długości nawet 3 m, elementy przenośnych mostów, cylindry małych zbiorników ciśnieniowych, obudowy pocisków rakietowych, materiały kompozytowe odlewnicze na tłoki i korbowody silników samochodowych
Grafit Elementy o bardzo dużej wytrzymałości i sztywności, np. maszt teleskopu kosmicznego Hubble′a, rury cienkościenne o małych i dużych średnicach (do 2 m)
Tlenek glinu Tłoki silników spalinowych, reaktory nuklearne

Rys. 2 Przykłady zastosowania materiałów kompozytowych o osnowie aluminiowej. 


Źródła:

[1] Surappa, M. K. "Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities."Sadhana 28.1-2 (2003): 319-334.

[2] Michna, Š., Lukáč, I., Louda, P., Očenášek, V. & kol. "Aluminium materials and technologies from A to Z" Adin s.r.o. (2007)

[3] Bieniaś, J. "Struktura i właściwości materiałów kompozytowych." Politechnika Lubelska, (2002).

[4] Dobrzański, L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo."WNT, Gliwice–Warszawa (2002).

Komentarze
Napisz komentarz
Aby dodać komentarz musisz się zalogować


g -

Zapisz się na newsletter








Forum Aluminium 2018